涡与叶片间的作用对Savonius型风力机性能的影响

风能是我国发展最快的可再生能源.萨沃纽斯(Savonius)风力机是一种典型的垂直轴式风力机,具有结构简单、自启动性能好等优点,但是其能量转换效率较低,最佳叶尖速比在1左右,最佳风能利用率可达到20%。本文对不同尖速比下的Savonius型风力机的气动性能进行了模拟研究,并从涡的观点比较和分析了Savonius型风力机的性能规律,结果表明流场中的涡结构对叶片的作用可显著影响Savonius风力机的性能.     

自适应柔性叶片风力机气动性能模拟优化

在传统Savonius风力机基础上,提出并设计了一种具有自适应功能的柔性叶片垂直轴阻力型风力机。对该风力机简化后,运用ANSYS软件对150 mm、250 mm以及350 mm三种不同弦长的风轮,在不同翅叶夹角下进行模拟计算,得出三种弦长风轮的平均转矩均在夹角为15°时达到最大,且在相同夹角时,弦长为150 mm风轮的转矩系数最大,波动最平缓,风能利用率最高。     

螺旋型垂直轴风力机的气动与启动性能研究

垂直轴风力机因其结构简单、无需迎风、传动简便、制造容易、成本低等优点而备受关注。垂直轴风力机通常可分为升力型和阻力型两大类。一般来讲,升力型风力机的风能利用率较高,而阻力型风力机的风能利用率较低。然而,直叶片升力型垂直轴风力机因某些相位处的启动扭距小,有时需要通过电机带动才能启动。本文应用计算流体力学方法,研究了一种螺旋升力型风力机,结果表明:螺旋型风力机不但具有较高的气动性能,而且具有较好的启动性能。     

涡流发生器对风力机叶片流动控制的数值研究

基于γ-Reθt转捩模型,对旋转工况下加装涡流发生器NREL Phase Ⅵ风力机进行CFD数值模拟.本研究在叶片吸力面加装30对涡流发生器,分析来流风速7、10、13、15、20、25 m/s六个工况下,叶片表面绕流、风轮转矩和叶片表面压力系数及表面流线的气动仿真结果,并与NREL试验数据、光滑叶片模拟结果比较分析.研究结果表明,涡流发生器明显改善叶片表面的流动分离,提高叶片输出转矩,其中10、15、20 m/s风速下分别提升3.7％、10.8％、14.6％;从剖面流场看,涡流发生器可以使涡强度减小、涡高度降低、分离涡后移,对提升风力机气动性能等意义重大.计算结果与Phase Ⅵ风力机试验结果吻合良好,湍流模型的输出转矩最大误差仅9.3％.     

2.5MW风力机叶片流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD软件NUMECA与CSD软件ABAQUS,对不同风速下2.5 MW风力机DF90风轮叶片进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了叶片型变与流场的相互作用对叶片气动特性、结构特性的影响。     

切变来流下风力机叶片应力耦合性分析

针对水平轴风力机叶片工作过程中产生裂纹、断裂等疲劳损伤问题,结合风资源数据和风力机的结构参数,将不同风切变函数的自然风来流条件编译成UDF函数对Fluent软件进行二次开发,分析两种翼型(NACA4415翼型和S翼型)风力机叶片的应力分布规律。结果显示:切变来流风速不同时,在气动力、离心力和重力耦合作用下,两种叶片从垂直向上方位按照顺时针旋转至30°位置时应力值最大,且叶片最大弦长截面靠近无因次弦长位置x/C=0.4应力值最大,NACA4415翼型叶片气动中心线(x/C=0.25)处应力沿翼展方向先增大(r/R=0.49最大)后减小,而S翼型叶片沿气动中心线逐渐减小;在相同切变来流风速下,S型叶片的截面尺寸相对较大,气动力、离心力和重力均大于NACA4415型叶片,其应力值也较大;关键位置气动中心线处的应力值较叶片前缘、后缘以及叶背最高处位置的应力都大。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化具有重要的参考价值。     

海上风电叶片智能控制实验系统研制及控制效果分析

随着风力机大型化发展,叶片尾缘襟翼控制技术,作为叶片流场主动控制的一种有效手段,能够有效、快速、灵活地降低叶片载荷,提高风力机,特别是大型风力机的可靠性、经济性,该技术受到国内外的广泛关注。为深入了解叶片襟翼实际作用效果及降载机制,在大量数值仿真计算工作基础上,需进一步开展带有襟翼控制的模型风力机风洞实验工作。本文在相似准则基础上,引入叶片展向环量、Polar线相似条件,对NREL 5 MW风力机叶片按1:105进行缩比设计,采用伺服电机驱动襟翼的结构方案对叶片参数进行修正,并根据BEM理论优化带有襟翼叶片的气动性能,最终确定带有襟翼控制的风力机叶片设计方案。最后利用气弹耦合仿真计算平台对带有襟翼控制的模型风力机进行性能计算,确定理想实验工况点及对应的降载效果。本文所开展的工作不仅能够为叶片缩比设计提供新思路,更有意义的是为襟翼控制系统在叶片中的实现提供有效借鉴。     

风力机叶片气动噪声的影响参数*

随着风力机的大型化,风电机组对环境的影响不容忽视,必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究基准,采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性,通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数,研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律,为开发高效低噪风电叶片提供参考。     

湍流模型对风力机叶片气动性能预估的影响

本文采用计算流体力学软件Fluent,选取单方程Spalart-Allmaras模型、两方程低雷诺数k-ε模型和SSTk-ω模型等不同湍流模型,对NREL Phase VI风洞测试风力机的无偏航工况进行CFD模拟.通过将数值计算结果与相应的实验数据进行比较,发现在叶片表面为附着流时三种湍流模型数值模拟的结果都与实验数据吻合得很好,而在失速情况下两方程湍流模型的表现要优于单方程模型,其中以SST k-ω模型对截面压力分布、转矩等的预测更加准确.     

聚能-遮蔽式风力机的性能实验研究

应用环境风洞,对几种不同的聚能-遮蔽模式及几种不同的风轮模型进行了吹风实验,获得了低风速条件下该类风力机风能利用特性的系列实验数据.研究表明,单S型(两个弧形叶片)的风力机的风能利用率高于多个弧形叶片的风力机的风能利用率;适当的聚能-遮蔽模式可以实现微风启动,并显著地提高风能利用率.     

5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计

本文详细介绍了5 kW遮蔽-增速垂直轴风力机的结构特点及主要参数。利用正交优化设计方法,采用计算流体力学软件,针对5 kW风力机,在叶片个数和遮蔽板安装位置半径一定的情况下,对翼型弦长、叶片转动扫掠面的半径、风轮旋转速度、遮蔽-增速板个数、遮蔽-增速板与叶片间的气动间隙以及遮蔽-增速板的安装角六个参数进行优化计算,找出一组最佳设计参数,进而设计出5 kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机,并对设计出的有遮蔽板与无遮蔽板两类型风力机的变工况特性进行比较分析。     

从非定常效应看对旋风扇/压气机的工程实现

首先利用全隐格式的非稳态压力修正求解方法；计算对旋风扇级间流场非定常流动情况，并与实验结果进行了有益的对比；在动态实验研究中则通过单斜丝热线风速仪对对旋风扇级间速度场进行了详细分析，并揭示其级间非定常效应的独特规律：下游转子的非定常位势流作用在对旋级间流场的周期性非定常影响中占主导地位，级间径向速度的大小则主要与前级转子叶尖区和叶根区的二次流动旋涡强度有关．上述结果表明：对旋风扇／压气机的非定常效应对其性能有很大影响，如果很好地组织对旋叶轮的非定常流动气动布局，可进一步提高增压系统的压比、效率和稳定工作范围。     

掠效应对高负荷跨音转子性能的影响

本文对一高负荷跨音转子采用掠技术进行了改型设计,并通过数值模拟对原型以及前、后掠转子分别进行了流场分析。结果发现掠叶片效率和压比与原型叶片相差不大,但是前掠叶型的失速裕度得到了大幅提高。同时前掠叶型的堵塞流量比原始叶型增大,而后掠叶型却明显减小。叶片采用掠之后一方面前缘位置变化所引起的径向压力输运改变了入口来流条件,另一方面气动掠还直接影响到了叶片吸力面附面层内低能流体的径向输运以及在叶尖区域的集聚,从而使流场内部的激波强度及相对位置明显变化,并最终导致叶片不同叶高载荷分布规律的改变。     

Acceleration of unbalanced flexible rotors through the critical speeds

The bending vibrational behaviour of a flexible rotor with a continuous mass distribution passing its critical speeds under a driving torque is considered. It is shown that the (non-linear) equations of motion for an actual shaft can be formally traced back to those of a Laval rotor. In this way, the results for a Laval rotor, which, in an earlier publication by the authors [1], have been presented generally for constant load torque can be applied to actual rotors. The system parameters of the Laval rotor merely have to be replaced by the generalized parameters of the respective bending modes. A special study shows that the effect of the torsional flexibility of the shaft on the bending vibrational behaviour is negligible.     

大型风力机叶片非线性气弹模型

大型柔性叶片在实际运行过程中存在明显的几何非线性变形问题。本文基于自由涡尾迹方法,与FAST进行耦合建立了完善的风力机叶片气弹模型。并通过NREL PhaseⅥ风力机对气动部分进行了验证,最后用耦合后的气弹模型对两种极端工况进行了数值仿真。结果表明,自由涡尾迹方法能够更好的模拟风力机叶片的气动变化过程。耦合后的气弹模型能够很好的模拟极端风切变下的结构变化。     

升力型垂直轴风力机翼型的选择

目前升力型垂直轴风力机采用的翼型多种多样,为了研究不同翼型对升力型垂直轴风力机风能利用率的影响,本文采用计算流体力学软件和滑移网格技术对升力型直叶片垂直轴风力机进行二维流场的数值模拟。结果表明,对于升力型垂直轴风力机,当选择NACA0018翼型可以达到最高的风能利用率。     

Cable connected active tuned mass dampers for control of in-plane vibrations of wind turbine blades

In-plane vibrations of wind turbine blades are of concern in modern multi-megawatt wind turbines. Today?s turbines with capacities of up to 7.5 MW have very large, flexible blades. As blades have grown longer the increasing flexibility has led to vibration problems. Vibration of blades can reduce the power produced by the turbine and decrease the fatigue life of the turbine. In this paper a new active control strategy is designed and implemented to control the in-plane vibration of large wind turbine blades which in general is not aerodynamically damped. A cable connected active tuned mass damper (CCATMD) system is proposed for the mitigation of in-plane blade vibration. An Euler–Lagrangian wind turbine model based on energy formulation has been developed for this purpose which considers the structural dynamics of the system and the interaction between in-plane and out-of-plane vibrations and also the interaction between the blades and the tower including the CCATMDs. The CCATMDs are located inside the blades and are controlled by an LQR controller. The turbine is subject to turbulent aerodynamic loading simulated using a modification to the classic Blade Element Momentum (BEM) theory with turbulence generated from rotationally sampled spectra. The turbine is also subject to gravity loading. The effect of centrifugal stiffening of the rotating blades has also been considered. Results show that the use of the proposed new active control scheme significantly reduces the in-plane vibration of large, flexible wind turbine blades.     

交叉旋翼悬停气动性能和流场干扰

针对交叉旋翼复杂的气动干扰问题,建立了一种适合于交叉旋翼气动分析的数值模拟方法.该方法采用三维非定常Reynolds平均Navier?Stokes(RANS)方程来求解流场,使用动态嵌套网格方法模拟旋翼运动.使用共轴旋翼悬停实验结果验证了该方法的准确性.利用该方法模拟了交叉旋翼在不同状态下的流场,计算了拉力和悬停效率,...     

Wind turbines and bat mortality: Doppler shift profiles and ultrasonic bat-like pulse reflection from moving turbine blades

Bat mortality resulting from actual or near-collision with operational wind turbine rotors is a phenomenon that is widespread but not well understood. Because bats rely on information contained in high-frequency echoes to determine the nature and movement of a target, it is important to consider how ultrasonic pulses similar to those used by bats for echolocation may be interacting with operational turbine rotor blades. By assessing the characteristics of reflected ultrasonic echoes, moving turbine blades operating under low wind speed conditions (<6 m s(-1)) were found to produce distinct Doppler shift profiles at different angles to the rotor. Frequency shifts of up to ±700-800 Hz were produced, which may not be perceptible by some bat species. Monte Carlo simulation of bat-like sampling by echolocation revealed that over 50 rotor echoes could be required by species such as Pipistrellus pipistrellus for accurate interpretation of blade movement, which may not be achieved in the bat's approach time-window. In summary, it was found that echoes returned from moving blades had features which could render them attractive to bats or which might make it difficult for the bat to accurately detect and locate blades in sufficient time to avoid a collision.